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氮離子對 CHC 的影響

第四章 氮離子對負偏壓溫度不穩定性 NBTI 的影響

4.2.5 氮離子對 CHC 的影響

Channel Hot-Carrier (CHC)[54],【圖 4-43】與 NBTI 不同之處 是加上了汲極偏壓(Vd)不為零,這個偏壓的作用是使得在通道中的 載子獲得能量,而在通道中流動,而熱載子在通道中流通時,有部分 的載子會穿過閘極介電層流到閘極,並且對閘極介電層造成損害,造 成電性的衰落【圖 4-44】。

【圖 4-45、4-46、4-47、4-48】為複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘 極介電層和二氧化矽閘極介電層而在定義閘極前做不同劑量的氮離 子佈植的 VTH 與 Gm 偏移,圖中可以看出比起 NBTI 的偏移來,

CHC-stress 所造成的 VTH的偏移比較小,但是氮離子劑量越大時卻會 使 VTH 的偏移變小,這個結果剛好與 NBTI 的結果相反,我們推測 CHC-stress 時 其 實 NBTI 也 有 部 分 作 用 , 此 時 稱 之 為 NBTI-enhance-CHC-stress,而其 VTH 的偏移比較小的原因是當加上 Vg=Vd=-4.3 volt 時,Vd 會使閘極介電層垂直電場變小,因此降低 了NBTI 效應的影響。

CHC 對於超薄閘極介電層的可靠性測量的重要性已漸漸被 NBTI 所取代,而且在通道熱載子效應中的 NBTI-enhance-CHC-stress 也與 傳統的CHC-stress 造成的結果不同,因此在做通道熱載子效應的分析 上,應該也要導入 NBTI 效應的因素,如此才是在 stress 時所有發生 在操作元件裡的效應。

【圖 4-1(a)】各溫度的平均 VTH,分別在三種溫度(室溫、 75℃、

125℃)測量了通道長度為 1μm 的 MOSFET 各 10 點,以求得各個溫 度的平均VTH

L

g

=1µm

Wafer

N2+ E13 N2+ E14 N2+ E15 Dry ox No N2 Dry ox N2+e15 control

V TH(V) -0.8

-0.7

-0.6

-0.5

-0.4

room 75 oC 125 oC

【圖 4-1(b)】各溫度的平均VTH,分別在三種溫度(室溫、75℃、125

℃)測量了通道長度為 10μm 的 MOSFET 各 10 點,以求得各個溫度 的平均VTH

Lg=10µm

Wafer

N2+ E13 N2+ E14 N2+ E15 Dry ox No N2 Dry ox N2+e15 control

VTH(V) -0.8

-0.7

-0.6

-0.5

room 75 oC 125 oC

【圖 4-2】平均 Gmmax,分別在三種溫度(室溫、75℃、125℃)測量 了通道長度為 10μm 的 MOSFET 各 10 點,以求得各個溫度的平均 Gmmax

L

g

=10µm

Wafer

N2+ E13 N2+ E14 N2+ E15 Dry ox No N2 Dry ox N2+e15 control

Gm lin(µs)

30 35 40 45 50 55 60 65

room 75 oC 125 oC

【圖 4-3】在室溫下 N2+ 1×1015:複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層 與 Dry ox N2+ 1×1015:複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層在閘極上 佈植相同濃度劑量為 N2+ 1×1015的氮離子VTH的偏移

Room temperature NBTI E

ox

= -15MV/cm

Time

0 2000 4000 6000 8000 10000

V TH(mV)

-20

-15

-10

-5

0

N2+ 1x1015

Dry ox N2+ 1x1015

【圖 4-4】在室溫下 N2+ 1×1015:複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層 與 Dry ox N2+ 1×1015:複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層在閘極上 佈植相同濃度劑量為 N2+ 1×1015的氮離子的Gmmax的偏移

Room temperature E

ox

= -15MV/cm

Stress Time (sec)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

Gm/Gm(%)

-4 -3 -2 -1 0

N2+ 1x1015

Dry ox N2+ 1x1015

【圖 4-5】氮氧化矽閘極介電層不同劑量的氮離子佈植在室溫 -15MV NBTI stress 10000 秒後 VTH的偏移,氮離子劑量越大則VTH的偏移 越大

Room temperature NBTI E

ox

= -15MV/cm

Time

0 2000 4000 6000 8000 10000

V TH(mV) -20

-15

-10

-5

0

N2+ 1x1013 N2+ 1x1014 N2+ 1x1015 Control

【圖 4-6】氮氧化矽閘極介電層不同劑量的氮離子佈植在室溫 -15MV NBTI stress 10000 秒後Gmmax的偏移

Room temperature E

ox

= -15MV/cm

Stress Time (sec)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

Gm/Gm(%)

-4 -3 -2 -1 0

N2+ 1x1013 N2+ 1x1014 N2+ 1x1015 control

【圖 4-7】二氧化矽閘極介電層不同劑量的氮離子佈植在室溫 -15MV NBTI stress 10000 秒後 VTH的偏移,氮離子劑量越大則VTH的偏移 越大

Room temperature NBTI E

ox

= -15MV/cm

Stress Time (sec)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

V TH(mV) -20

-15

-10

-5

0

Dry ox No N2 Dry ox N2+ 1x1015

【圖 4-8】二氧化矽閘極介電層不同劑量的氮離子佈植在室溫 -15MV NBTI stress 10000 秒後的Gmmax偏移

Room temperature E

ox

= -15MV/cm

Stress Time (sec)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

Gm/Gm(%)

-3 -2 -1 0

Dry ox No N2 Dry ox N2+1x1015

【圖 4-9】氮氧化矽閘極介電層不同劑量的氮離子佈植在 125℃

-14MV NBTI stress 10000 秒後的VTH偏移

125

o

C NBTI E

ox

= -14MV/cm

Stress Time (sec)

0 2000 4000 6000 8000 10000

V TH(mV) -40

-30

-20

-10

0

N2+ 1x1013 N2+ 1x1014 N2+ 1x1015

【圖 4-10】氮氧化矽閘極介電層不同劑量的氮離子佈植在 125℃

-14MV NBTI stress 10000 秒後的Gmmax偏移

125

o

C E

ox

= -14MV/cm

Stress Time (sec)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

Gm/Gm(%)

-5 -4 -3 -2 -1 0

N2+ 1x1013 N2+ 1x1014 N2+ 1x1015

【圖 4-11】二氧化矽閘極介電層不同劑量的氮離子佈植在 125℃

-14MV NBTI stress 10000 秒後的VTH偏移

125

o

C NBTI E

ox

= -14MV/cm

Strss Time (sec)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

V TH(mV) -40

-30

-20

-10

0

Dry ox No N2 Dry ox N2+ 1x1015

【圖 4-12】二氧化矽閘極介電層不同劑量的氮離子佈植在 125℃

-14MV NBTI stress 10000 秒後的Gmmax偏移

125

o

C E

ox

= -14MV/cm

Stress Time (sec)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

Gm/Gm(%)

-4 -3 -2 -1 0

Dry ox No N2 Dry ox N2+ 1x1015

【圖 4-13】Control 片在 125℃ -14MV NBTI stress 200 秒的 VTH

偏移已經非常嚴重,200 秒以後元件則已失效

125

o

C NBTI E

ox

= -14MV/cm

Stress Time (sec)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

V TH(mV)

-80

-60

-40

-20

0

control

【圖 4-14】NBTI-stress 加上基極電壓不為零(Vsub=1,Vsub=2)

【圖 4-15】氮氧化矽閘極介電層不同劑量的氮離子佈植在 125℃

-14MV NBTI Vsub=2V stress 10000 秒後的VTH偏移

125

o

C NBTI V

sub

=2V E

ox

= -14MV/cm

Stress Time (sec)

0 2000 4000 6000 8000 10000

V TH(mV)

-50

-40

-30

-20

-10

0

N2+ 1x1013 N2+ 1x1014 N2+ 1x1015

【圖 4-16】二氧化矽閘極介電層不同劑量的氮離子佈植在 125℃

-14MV NBTI Vsub=2V stress 10000 秒後的VTH偏移

125

o

C NBTI V

sub

=2V E

ox

= -14MV/cm

Stress Time (sec)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

V TH(mV)

-50

-40

-30

-20

-10

0

Dry ox No N2 Dry ox N2+ 1x1015

【圖 4-17】Dry ox N2+

1x1015: 複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層 片而在定義閘極前做氮離子劑量 1×1015 ions/㎝2,Vsub=0V、Vsub=2V 的 NBT-stress 後離子佈植經過 10000 秒後的VTH偏移

125

o

C E

ox

= -14MV/cm Dry ox N

2+

1x10

15

Stress Time (sec)

0 2000 4000 6000 8000 10000

V TH(mV)

-50

-40

-30

-20

-10

0

Vsub=2V Vsub=0V

【圖 4-18】NBTI-stress 時能帶隨著 Vsub 的變化,加上 Vsub 所造成 的效應為在通道的能帶更加陡直,而使得substrate hot hole 的數量變 大

【圖 4-19】二氧化矽閘極介電層與氮氧化矽閘極介電層各條件下的 分別於 Vsub=0V、Vsub=2V 的 NBT-stress 後 VTH-10000s

N2+ 1e13 N2+ 1e14 N2+ 1e15 No N2 N2+1e15

V

TH-10000s

(mV)

-52

-50

-48

-46

-44

-42

-40

-38

-36

125 oC 14MV Vsub=0 125 oC 14MV Vsub=2

N

2

O ox Dry ox

【圖 4-20】30℃下複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層而在定義閘 極前做不同劑量的氮離子佈植的VTH偏移

30

o

C

Stress Time (sec)

10 100 1000 10000

V TH(V) 0.01

N2+ 1x1013 N2+ 1x1014 N2+ 1x1015

【圖 4-21】70℃下複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層而在定義閘 極前做不同劑量的氮離子佈植的VTH偏移

70

o

C

Stress Time (sec)

10 100 1000 10000

V TH(V) 0.01

N2+ 1x1013 N2+ 1x1014 N2+ 1x1015

【圖 4-22】110℃下複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層而在定義閘 極前做不同劑量的氮離子佈植的VTH偏移

110

o

C

Stress Time (sec)

10 100 1000 10000

V TH(V)

0.01

N2+ 1x1013 N2+ 1x1014 N2+ 1x1015

【圖 4-23】30℃下複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層而在定義閘 極前做不同劑量的氮離子佈植的VTH偏移

30

o

C

Stress Time (sec)

10 100 1000 10000

V TH(V) 0.01

Dry ox No N2 Dry ox N2+ 1x1015

【圖 4-24】70℃下複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層而在定義閘 極前做不同劑量的氮離子佈植的VTH偏移

70

o

C

Stress Time (sec)

10 100 1000 10000

V TH(V) 0.01

Dry ox No N2 Dry ox N2+ 1x1015

【圖 4-25】110℃下複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層而在定義閘 極前做不同劑量的氮離子佈植的VTH偏移

110

o

C

Stress Time (sec)

10 100 1000 10000

V TH(V)

0.01

Dry ox No N2 Dry ox N2+ 1x1015

【圖 4-26】N2+ 1x1015:複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層而定義 閘極前做氮離子劑量 1×1015 ions/㎝ 2的離子佈植,在變溫下 VTH的 變化

N2+ 1x1015 Eox=(Vg-Vfb)/tox= -11MV/cm

Stress Time (sec)

10 100 1000 10000

V TH(V)

0.001 0.01 0.1

110 oC 70 oC 30 oC

【圖 4-27】Dry ox N2+ 1x1015:複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層 而在定義閘極前做氮離子劑量 1×1015 ions/㎝ 2的離子佈植在變溫時 VTH偏移的變化

Dry oxide N2+ 1x1015 Eox=(Vg-Vfb)/tox= -11MV

Stress Time (sec)

10 100 1000 10000

V TH(V)

0.001 0.01 0.1

110 oC 70 oC 30 oC

【圖 4-28】複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層的 VTH偏移對變溫 的圖形

slope ~ Ea

1/T(1/K)

2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4

V TH(V)

0.01 0.1

N2+ 1x1013 N2+ 1x1014 N2+ 1x1015

N2+ 1x1013 Fit curve N2+ 1x1014 Fit curve N2+ 1x1015 Fit curve

【圖 4-29】複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層的 VTH偏移對變溫 的圖形

slope ~ Ea

1/T(1/K)

2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4

V TH(V)

0.01 0.1

Dry ox No N2 Dry ox N2+ 1x1015 Dry ox No N2 Fit curve Dry ox N2+ 1x1015 Fit curve

【圖 4-30】由斜率可以比較出,二氧化矽閘極介電層的活化能大於 N2+ 1x1013 Fit curve N2+ 1x1014 Fit curve N2+ 1x1015 Fit curve Dry ox No N2 Fit curve Dry ox N2+ 1x1015 Fit curve

【圖 4-31】DNBTI stress 時閘極加不同電壓,所產生的機制,閘極 加正偏壓時,在加負偏壓時所產生的 H+會再跑回去與 NBTI 形成的 positive fixed charge 及介面捕捉(interface trap)處而產生回復的效應

【圖 4-32】氮氧化矽閘極介電層在不同氮離子計量佈植對 VTH偏移 的影響

Stress Time(sec)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

V TH(mV) -25

-20

-15

-10

-5

0

N2+ 1x1013 N2+ 1x1014 N2+ 1x1015 control

【圖 4-33】二氧化矽閘極介電層在不同氮離子計量佈植對 VTH偏移 的影響

Stress Time(sec)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

V TH(mV) -25

-20

-15

-10

-5

0

Dry ox No N2 Dry ox N2+ 1x1015

【圖 4-34】N2+ 1x1013片經過 12000 秒的 125℃,負偏壓設定(Vgn)為 使閘極介電層垂直電場為-13MV/cm,正偏壓設定(Vgp)為使閘極介電 層垂直電場為 +13MV/cm 與 +1Volt 的 DNBT-stress 後VTH的偏移

125 oC DNBTI N2+ 1x1013

Stress Time(sec)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

V TH(mV) -25

-20

-15

-10

-5

0

E=13MV/cm Vgp=1V

【圖 4-35】control 片經過 12000 秒的 125℃,負偏壓設定(Vgn)為 使閘極介電層垂直電場為-13MV/cm,正偏壓設定(Vgp)為使閘極介電 層垂直電場為 +13MV/cm 與 +1Volt 的 DNBT-stress 後 VTH的偏移

125 oC DNBTI Control

Stress Time(sec)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

V TH(mV) -25

-20

-15

-10

-5

0

E=13MV/cm Vgp=1V

【圖 4-36】氮氧化矽閘極介電層在 12000 秒的 125℃,負偏壓設定(Vgn) 為使閘極介電層垂直電場 -13MV/cm,正偏壓設定(Vgp)為 0Volt 的 DNBT-stress 後 VTH的偏移

125 oC DNBTI Vgp=0V

Stress Time(sec)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

V TH(mV) -25

-20

-15

-10

-5

0

N2+ 1x1013 N2+ 1x1014 N2+ 1x1015 Control

【圖 4-37】氮氧化矽閘極介電層在 12000 秒的 125℃,負偏壓設定(Vgn) 為使閘極介電層垂直電場 -13MV/cm,正偏壓設定(Vgp)為+1Volt 的 DNBT-stress 後 VTH的偏移

125 oC DNBTI Vgp=1V

Stress Time(sec)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

V TH(mV) -25

-20

-15

-10

-5

0

N2+ 1x1013 N2+ 1x1014 N2+ 1x1015 Control

【圖 4-38】氮氧化矽閘極介電層在 12000 秒的 125℃,負偏壓設定(Vgn) 為使閘極介電層垂直電場 -13MV/cm,正偏壓設定(Vgp)為+2Volt 的 DNBT-stress 後 VTH的偏移

125 oC DNBTI Vgp=2V

Stress Time(sec)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

V TH(mV) -25

-20

-15

-10

-5

0

N2+ 1x1013 N2+ 1x1014 N2+ 1x1015 Control

【圖 4-39】二氧化矽閘極介電層在 12000 秒的 125℃,負偏壓設定(Vgn) 為使閘極介電層垂直電場 -13MV/cm,正偏壓設定(Vgp)為 0Volt 的 DNBT-stress 後 VTH的偏移

125 oC DNBTI Vgp=0V

Stress Time(sec)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

V TH(mV) -25

-20

-15

-10

-5

0

Dry ox No N2 Dry ox N2+ 1x1015

【圖 4-40】二氧化矽閘極介電層在 12000 秒的 125℃,負偏壓設定(Vgn) 為使閘極介電層垂直電場 -13MV/cm,正偏壓設定(Vgp)為+1Volt 的 DNBT-stress 後 VTH的偏移

125 oC DNBTI Vgp=1V

Stress Time(sec)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

V TH(mV) -25

-20

-15

-10

-5

0

Dry ox No N2 Dry ox N2+ 1x1015

【圖 4-41】二氧化矽閘極介電層在 12000 秒的 125℃,負偏壓設定(Vgn) 為使閘極介電層垂直電場 -13MV/cm,正偏壓設定(Vgp)為+2Volt 的 DNBT-stress 後 VTH的偏移

125 oC DNBTI Vgp=2V

Stress Time(sec)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

V TH(mV) -25

-20

-15

-10

-5

0

Dry ox No N2 Dry ox N2+ 1x1015

【圖 4-42】N2+

1x1015複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層做氮離子 劑量 1×1015 ions/㎝ 2的離子佈植,氮氧化矽閘極介電層在 12000 秒 的 125℃,負偏壓設定(Vgn)為使閘極介電層垂直電場 -13MV/cm,正 偏壓設定(Vgp)分別為 0Volt、+1Volt、+2Volt 的 DNBT-stress 後 VTH 的偏移

125 oC DNBTI N2+ 1x1015

Stress Time(sec)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

V TH(mV)

【圖 4-43】Channel Hot-Carrier (CHC) stress 時各接腳所加之偏壓

【圖 4-44】CHC-stress 時載子的流動方向

【圖 4-45】氮氧化矽閘極介電層而在定義閘極前做不同劑量的氮離 子佈植的VTH偏移

Room Temperature CHC Vg= -4.3V=Vd

Stress Time (sec)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

V TH(mV)

-15

-10

-5

0

N2+ 1x1013 N2+ 1x1014 N2+ 1x1015 Control

【圖 4-46】複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層而在定義閘極前做 不同劑量的氮離子佈植的Gm偏移

Room Temperature CHC Vg= -3.4V=Vd

Stress Time (sec)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

Gm/Gm(%)

-4 -3 -2 -1 0

N2+ 1x1013 N2+ 1x1014 N2+ 1x1015

【圖 4-47】複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層而在定義閘極前做 不同劑量的氮離子佈植的VTH偏移

Room Temperature CHC Vg= -3.4V=Vd

Stress Time (sec)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

V TH(mV)

-12 -10

-8 -6 -4

-2 0

Dry ox No N2 Dry ox N2+ 1x1015

【圖 4-48】複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層而在定義閘極前做 不同劑量的氮離子佈植的Gm偏移

Room Temperature CHC Vg= -3.4V=Vd

Stress Time (sec)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

Gm/Gm(%)

-2 -1 0 1

Dry ox No N2 Dry ox N2+ 1x1015

第五章

總結

在元件製程時加入氮離子佈植可以得到許多良好的特性,如:增 加元件對傳統熱載子效應的抵抗力[54]、降低硼穿透現象的發生 [55-57]、降低reverse short channel effect[58]、降低 lateral transient enhanced dopant diffusion [59]等,所以對於氮離子佈植的時機、能 量、劑量大小都已經有文獻詳細的探討過。

針對複晶矽鍺閘極而言,在 N2O 環境下成長閘極氧化層元件在 經過氮離子佈植後較乾氧成長的元件較能抑制硼穿透效應,隨著氮離 子佈植濃度愈高,硼穿透效應越小。然而氮離子會與硼離子形成 B-N 鍵結造成硼離子活化不完全而使得片電阻值上升產生閘極空乏,隨著 氮離子濃度的提高,元件有較高的片電阻值,而利用複晶矽鍺作為閘 極由於因為活化能較低而使得片電阻值相對的減小。對於不同的硼離 子佈植劑量與活化溫度的製程條件下,要在閘極空乏與硼穿透效應兩 者間做一取捨。

傳統的 NBTI 與 DNBTI 對複晶矽鍺閘極而言,氮離子的存在都會 造成更嚴重的影響。在基板加上Vsub 會產生 Substrate Hot Hole 提升 NBTI 的影響。此外 DNBTI 在閘極加正偏壓時,發生回復,這個現象 指出其實NBTI 所造成的傷害是可以部分回復的,因此在可靠性分析 與元件生命期的要求上可以放寬一點。雖然氮氧化矽閘極介電層的使

傳統的 NBTI 與 DNBTI 對複晶矽鍺閘極而言,氮離子的存在都會 造成更嚴重的影響。在基板加上Vsub 會產生 Substrate Hot Hole 提升 NBTI 的影響。此外 DNBTI 在閘極加正偏壓時,發生回復,這個現象 指出其實NBTI 所造成的傷害是可以部分回復的,因此在可靠性分析 與元件生命期的要求上可以放寬一點。雖然氮氧化矽閘極介電層的使

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